油页岩旋风分离器分离性能的试验研究

王佰长，刘永卫，刘 佳，孙国刚

（1.大庆油田有限责任公司新能源办公室，大庆163453；2.中国石油大学 （北京）过程装备实验室）

1 前 言

世界油页岩资源丰富，折算的页岩油资源量数倍于石油和天然气，被认为是一种最现实、最有希望补充或接替石油的能源［1］。随着石油资源的日趋紧张和需求的持续增长，世界各国近年都很重视油页岩的开发利用［2－4］。干馏制油和燃烧产热、发电是当今油页岩工业利用的两个主要方式［1，5］，这两种工业利用工艺中共同面对的关键问题是高温油气或烟气除尘。旋风分离器结构简单、造价低、使用中几乎免维护，对高温、高压、高颗粒浓度工况的适应性好，常是高温气固分离的首选设备。油页岩流化床燃烧装置、国外现有工业化生产的油页岩炼油装置，如巴西佩特罗瑟克斯（Petrosix）炉、爱沙尼亚的葛洛特（Galoter）炉以及国内外正在进行的许多页岩炼油中试装置，均采用旋风分离器进行高温除尘。旋风分离器的分离性能直接影响整个油页岩干馏或燃烧装置的稳定运行和经济效益，是装置中的一个关键设备。虽然目前对旋风分离器已进行了相当广泛且深入的研究［6－8］，但国内外文献中迄今尚未见有关油页岩颗粒旋风分离器的试验研究报道，更无从高温干馏油气（或燃烧烟气）中去除页岩颗粒的分离效率、压降等具体数据公开。文献［8］曾针对油页岩干馏系统旋风分离器的设计需要，收集了不同温度、压力及颗粒浓度下不同结构尺寸的旋风分离器试验数据，分析评价了Leith－Licht等几个分离器模型关联式的预测性，但他们的试验数据中恰恰缺少油页岩的数据。这显然不能满足油页岩干馏和燃烧工业装置高温除尘旋风分离器的设计与操作优化的要求。本课题采用国内石油催化裂化领域已大规模工业应用的PV型高效旋风分离器模型，用油页岩颗粒进行实验室冷态模型试验，考察入口气速、排气管直径等对油页岩颗粒旋风分离性能的影响，并在同一分离器上通过试验对比研究油页岩颗粒与滑石粉的分离效率差别，为油页岩干馏及燃烧装置的旋风分离器设计与应用提供基础试验支持。

2 试验装置及方法

实验室冷模试验装置流程示意见图1。该装置由风机、旋风分离器、测量仪表、过滤装置及通风管道组成，其中旋风分离器采用PV型高效旋风分离器，分离器结构尺寸见图2。试验在常温、常压下进行，采用吸风式负压操作，气体为常温、常压空气，气量通过风机入口的阀门调节，用毕托管测量；分离器压降由U形管测量。分离效率采用定量加尘、收尘及称重的方法测定。试验中分离器入口的颗粒质量浓度固定在10g/m3。

图1 试验装置系统示意

图2 分离器结构尺寸

由于大颗粒比较容易分离去除，工业装置中主要是小颗粒较难去除，从而影响装置操作和产品质量。因此，本试验采用颗粒较小的200目筛下油页岩粉作为试验物料，以考察旋风分离器分离细小油页岩颗粒的能力；试验用油页岩平均颗粒密度为1 350kg/m3，平均体积粒径为21.68μm；颗粒粒度分布采用BT－9300S型激光粒度仪测量，200目筛下油页岩粉粒度分布见图3。

3 结果与分析

在实验室大气环境下测量的旋风分离器纯气流阻力特性见图4。从图4可见，该旋风分离器的纯气流压降（ΔP）随入口气速的增加而增大，与入口气速的关系可拟合为：ΔP＝12ξρgVi2。式中：Vi为分离器入口气速，m/s；ρg为气体密度，kg/m3；ξ为阻力系数。由试验数据拟合可得出ξ＝9.25。

图3 200目筛下油页岩粉粒度分布—颗粒分率； —颗粒累计率

图4 纯气流压降与入口气速的关系—试验数据；■—拟合曲线

3.1 纯气流阻力特性3.2 油页岩颗粒的分离效率

用200目筛下油页岩粉为试验粉料，测量不同入口气速下的分离效率，结果见图5。由图5可见，随着入口气速的增加，油页岩颗粒的旋风分离效率先增大后减小，呈上凸形曲线；入口气速在15m/s左右时分离效率最高；超过15m/s后，分离效率迅速下降。即在本试验条件下，该分离器对油页岩颗粒分离效率最佳的入口气速约为15m/s。这是因为随入口气速的增加，分离器内切向速度增大，即离心力增强，有利于颗粒分离，分离效率趋于增加；但入口气速增加也使气流在分离器内停留时间缩短，这会降低颗粒被分离的机会；并且入口气速增大到一定程度时，还可能使已沉降到器壁处的颗粒重新被卷扬起来，形成所谓的弹跳返混［6］，使分离效率反而下降。Kalen和Zenz［9］将水平管内颗粒弹跳返混现象的研究结果，推广用于旋风分离器，并导出了产生此现象的跳跃速度及最佳入口气速。但本试验实测的油页岩捕集效率最高的入口气速仅为15m/s左右，比许多常见颗粒的最佳分离效率时的气速低许多，这可能是由于油页岩颗粒自身的一些特性所致。

图5 油页岩与滑石粉的分离效率比较■—油页岩；●—滑石粉

滑石粉是实验室研究评价旋风分离器性能经常采用的试验物料，文献中用滑石粉测试的旋风分离器效率数据非常多。为进一步认识油页岩颗粒旋风分离效率的特殊性，采用平均粒径11μm、密度2 700kg/m3的450目滑石粉在同一分离器上进行分离效率测试，并将滑石粉的分离效率也绘于图5中以便对照。从图5可以看出：虽然旋风分离器对滑石粉的分离效率也是随入口气速的增加先增加后降低，也存在一效率最高的入口气速，但对滑石粉分离效率最高的入口气速约为24m/s，而对油页岩分离效率最高的入口气速却只有15m/s；在效率最高的入口气速之前，对滑石粉的分离效率较低，但随入口气速增加而增加较快，而对油页岩的分离效率增幅则相对较小。在较低入口气速时，分离器对油页岩颗粒的分离效率大于对滑石粉的分离效率；在较高入口气速时（如大于20m/s），对油页岩颗粒的分离效率则低于对滑石粉的分离效率，即同一台旋风分离器对油页岩和滑石粉的分离效率差别显著。产生这一差别的原因：一是旋风分离中颗粒所受到的离心力正比于颗粒密度的一次方和粒径的三次方，粒径对分离效率的影响大于密度；试验所用的油页岩颗粒平均粒径约为滑石粉的2倍，但密度只有滑石粉的一半。所以油页岩颗粒是大而轻，滑石粉则是重而小，旋风分离器中分离颗粒主要靠离心力，故正常情况下对油页岩的分离效率应大于对滑石粉颗粒的分离效率；入口气速超过最高效率的入口气速后，颗粒的弹跳、碰撞与返混加剧，分离效率便会降低；油页岩颗粒较脆，气速越高，碰撞破碎越多，分离效率也就下降越多。

颗粒的种类对旋风分离器的分离性能有较大的影响，当旋风分离器处理的颗粒种类不同时，应当考虑这种差别。在设计油页岩旋风分离器时应当考虑油页岩颗粒特性对分离效率的影响，而不能简单套用处理其它物料旋风分离器的现成设计。对于本试验的分离器，用于常温、常压空气中分离滑石粉物料时，可取有关设计手册中经常推荐的22～24m/s等较高入口气速，因为这一气速接近滑石粉的效率最佳的气速。而用于分离油页岩颗粒时，则宜取较低的入口气速，如15m/s左右，否则将可能达不到满意的分离效果。

3.3 排气芯管直径的影响

保持分离器其它尺寸不变，分别调整旋风分离器的排气芯管直径为Φ90mm，Φ120mm，Φ150mm，采用200目筛下油页岩粉继续进行分离效率的测定，结果见图6。从图6可以看出，分离效率随排气芯管直径的缩小而增大，当然分离器的压降也随着芯管直径的减小而增加；同时，芯管直径减小时，不同入口气速间分离效率的差距也变小，即分离效率的操作弹性变好；如芯管直径为Φ90mm时，入口气速从10m/s增加到20m/s，分离效率可基本上维持在94%左右，变化幅度约在0.1%以下，波动较小；但分离效率最佳的入口气速基本上没有变化，仍在15m/s左右。这说明可以通过调整旋风分离器的结构尺寸提高分离效率，使油页岩旋风分离器的分离性能得到提高。在本试验中，芯管直径Φ90mm的分离器是对油页岩分离效率相对较高的分离器。

图6 排气芯管直径对油页岩分离效率的影响排气芯管直径：■—90mm；●—120mm；▲—150mm

4 结 论

（1）同一旋风分离器对不同种类颗粒的分离效率有较大的差异。冷模试验结果表明，对200目筛下油页岩颗粒分离效率最佳的入口气速约为15m/s，显著低于用450目滑石粉测得的24m/s；油页岩旋风分离器的设计应当充分考虑所处理的油页岩颗粒特性对分离效率的影响。

（2）调整旋风分离器的排气管尺寸可以改变对油页岩颗粒的分离效率及操作弹性，排气管直径越小，分离效率越高，分离器的操作弹性越好；但分离效率最佳的入口气速基本不受影响。

［1］ 钱家麟，尹亮.油页岩：石油的补充能源［M］.北京，中国石化出版社，2008：1－3

［2］ Colorado School of Mines，Colorado energy research institute.30thOil Shale Symposium Colorado School of Mines，Golden，Colorado October 18－22，2010［EB/OL］.http：//outreach.mines.edu/cont＿ed/oilshale/index.html

［3］ 尹亮.依靠科技进步，发展产业优势，推动我国油母页岩综合利用产业又好又快发展［C］//油母页岩分会2010年年会论文集，青岛，中国煤炭加工利用协会油母页岩分会，2010：1－5

［4］ 钱家麟，王剑秋，李术元.世界油页岩开发利用动态［J］.中外能源，2008，13（1）：11－15

［5］ Sun Guogang，Wang Maohui，Xu Guiying.Current status of oil shale extraction technology［C］//International Symposium on Gasification and Application.Shanghai：Chinese Society of Particuology，8～11th，2008：85－91

［6］ 时铭显.化学工程手册第21篇——气态非均一系分离［M］.北京，化学工业出版社，1989：77－133

［7］ 孙国刚，时铭显.旋风分离器捕集细粉效率的技术研究进展［J］.现代化工，2008，28（7），64－69

［8］ Masin J G，Koch W H.Cyclone efficiency and pressure drop correlations in oil shale retorts［J］.Environmental Progress，1986，5（2）：116－122

［9］ Kalen B，Zenz F A.Theoretical－empirical approach to saltation velocity in cyclone design［J］.AIChE Symp Ser，1974，70（137）：388－396